DE102007042319A1

DE102007042319A1 - Drucklufterzeugungsanlage eines Fahrzeugs und Verfahren zum Steuern derselben

Info

Publication number: DE102007042319A1
Application number: DE102007042319A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr. Gerum
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20100266425A1; EP2190707A2; WO2009033598A2; WO2009033598A3

Abstract

Eine Drucklufterzeugungsanlage (20) eines Fahrzeugs mit zumindest einem Antriebsmotor (2, 2'), mit einem Drucklufterzeuger (1) zur Erzeugung von Druckluft (D); einem mit dem Drucklufterzeuger (1) gekoppelten Elektromotor (3) zum Antrieb des Drucklufterzeugers (1); einer steuerbaren Kupplung (4) zur Kopplung des Drucklufterzeugers (2) mit dem zumindest einen Antriebsmotor (2); einer Steuereinrichtung (5) zur Steuerung der Drucklufterzeugungsanlage und einer Synchronisiereinrichtung (6) zur Synchronisierung einer Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) des Drucklufterzeugers (1) und einer Abtriebsdrehzahl (d2) des zumindest einen Antriebsmotors (2, 2'), wobei die steuerbare Kupplung (4) bei synchronisierter Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) und Abtriebsdrehzahl (d2) schaltbar ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Steuern einer Drucklufterzeugungsanlage (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Drucklufterzeugungsanlage eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Steuern derselben.
Derartige Drucklufterzeugungsanlagen werden derzeit mit Kompressoren bzw. Drucklufterzeugern für Druckluft, beispielsweise für eine Betriebsbremse, in einem Fahrzeug, zum Beispiel in einem Nutzfahrzeug, ausschließlich direkt von dem Antriebsmotor eines solchen Fahrzeugs angetrieben. Dabei ist bei Nutzfahrzeugen der Antriebsmotor in den meisten Fällen als Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors ausgebildet. Zwecks Energieeinsparung sind der Anmelderin Lösungen mit einer mechanischen Abschaltkupplung bekannt, welche zwischen vor dem Antrieb des Drucklufterzeugers angeordnet ist.
Im Fall von Fahrzeugen, die mit einem Hybridantrieb ausgerüstet sind, besteht die Notwendigkeit, dass auch bei einem ausgeschalteten Antriebsmotor die Druckluftversorgung sichergestellt ist. Hierbei kommen elektrisch angetriebene Drucklufterzeuger zum Einsatz. Der Antrieb ist als Elektromotor ausgebildet, welcher im ausgeschalteten Zustand zu einer ausgekuppelten Kupplung gleichwertig ist, wobei in diesem Zustand keine Verlustleistung auftritt. Im Normalbetrieb weist ein solcher Elektromotor jedoch einen erheblichen Nachteil auf, da die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt Verlust von Energie bewirkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drucklufterzeugungsanlage zu schaffen, welche bei einem elektrisch angetriebenen Drucklufterzeuger die oben aufgeführten Nachteile behebt bzw. reduziert und einen minimalen Energieverbrauch aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Drucklufterzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Steuern einer Drucklufterzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein mit einem Elektromotor angetriebener Drucklufterzeuger auch über eine Abschaltkupplung bzw. steuerbare Kupplung von einem Antriebsmotor des Fahrzeugs antreibbar ist, wobei die Kupplung erst dann eingekuppelt wird, wenn der Drucklufterzeuger von dem Elektromotor auf eine Abtriebsdrehzahl des Antriebsmotors des Fahrzeugs beschleunigt bzw. mit dieser synchronisiert worden ist.
Somit wird vorteilhaft erreicht, dass der Energieverbrauch zur Drucklufterzeugung bei einem Drucklufterzeuger mit elektrischem Antrieb reduziert ist, da der Elektromotor in einen Leerlaufzustand geschaltet wird, sobald der Drucklufterzeuger von dem Antriebsmotor angetrieben wird, wird so dass keine weiteren Verluste entstehen.
Die Synchronisation der Drehzahl des Drucldufterzeugers mit der Abtriebsdrehzahl des Antriebsmotors bewirkt, dass beim Einkuppeln der Kupplung keine Reibungsverluste entstehen. Dadurch sind die Wartungsintervalle im Falle einer Reibungskupplung vorteilhaft verlängert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Drucklufterzeugungsanlage eines Fahrzeugs mit zumindest einem Antriebsmotor, weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

(V1) Antreiben eines Drucklufterzeugers mit einem Elektromotor zum Erzeugen von Druckluft;
(V2) Synchronisieren einer Drucklufterzeugerdrehzahl des Drucklufterzeugers mit einer Abtriebsdrehzahl des zumindest einen Antriebsmotors;
(V3) Schalten einer steuerbaren Kupplung bei synchronen Drehzahlen zum Koppeln des Drucklufterzeugers mit dem Antriebsmotor zum Erzeugen von Druckluft.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine Reibungskupplung müsste ohne diese Synchronisation sehr stark ausgelegt werden, da der Drucklufterzeuger hohe Spitzendrehmomente aufweist. In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, die steuerbare Kupplung als formschlüssige schaltbare Kupplung auszubilden. Dadurch ist eine vorteilhaft einfache Gestaltung einer Schaltkupplung mit hohen Übertragungsmomenten ermöglicht. Diese formschlüssige schaltbare Kupplung kann zum Beispiel eine Bolzenkupplung oder eine Zahnkupplung sein. Insbesondere, wenn diese Schaltkupplung eine Klauenkupplung ist, ist eine besonders robuste Bauweise möglich.
Die Synchronisiereinrichtung ist in einer weiteren Ausführung versehen mit:
einer ersten Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Drucklufterzeugerdrehzahl des Drucklufterzeugers;
einer zweiten Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Abtriebsdrehzahl des zumindest einen Antriebsmotors;
einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Drucklufterzeugerdrehzahl und der Abtriebsdrehzahl;
einer Elektromotorsteuereinheit zur Steuerung des Elektromotors; und
einer Schalteinheit zur Schaltung der steuerbaren Kupplung bei synchronisierter Drucklufterzeugerdrehzahl und Abtriebsdrehzahl.
Dabei können vorteilhaft im Fahrzeug schon vorhandene Messsignale und Informationen bezüglich der Drehzahlen des Antriebsmotors bzw. eines Abtriebs des Antriebsmotors, zum Beispiel an einem Getriebe eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, verwendet werden. Die Elektromotorsteuereinheit kann zum Beispiel Drehzahlsignale des Elektromotors aus dessen eigenen Drehzahlsensoren benutzen, um die Drucklufterzeugerdrehzahl zu ermitteln. So kann eine intelligente Steuerung der Schaltkupplung ermöglicht werden, um in jedem Fall ein sicheres Einschalten des Drucklufterzeugers bei Druckluftbedarf zu gewährleisten. Es ist selbstverständlich auch möglich, dass die Steuereinrichtung für den Fahrer des Fahrzeugs wichtige Informationen meldet und für ihn zur Anzeige bringt.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Elektromotorsteuereinheit zur Einstellung der Drucklufterzeugerdrehzahl, zur Einstellung eines Leerlaufmodus und eines Generatormodus des Elektromotors ausgebildet ist. Wenn der Antriebsmotor des Fahrzeugs bei eingekuppelter Schaltkupplung den Drucklufterzeuger antreibt, wird der Elektromotor in einen Leerlaufzustand geschaltet. Das heißt, dass er nur einen geringen Drehwiderstand in seinen Lager bildet und sich frei mitdreht. Es ist aber auch in einer anderen Ausführung möglich, dass er in einen Generatorzustand geschaltet wird, das heißt, der Elektromotor kann in diesem Fall als zusätzliche Stromquelle dienen und zum Beispiel die Fahrzeugbatterie laden oder als Notstromquelle fungieren.
In einer weiteren Ausführung ist die steuerbare Kupplung mit einem Abtrieb eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs gekoppelt. Dies kann zum Beispiel an einem Getriebe des Antriebsstrangs des Fahrzeugs sein. Dadurch ist es möglich, dass auch bei ausgeschaltetem Motor bzw. bei niedriger Antriebsmotordrehzahl im Schiebebetrieb des Fahrzeugs eine Antriebsdrehmoment für den Drucklufterzeuger über den Antriebsstrang angetrieben von den Rädern des Fahrzeugs erfolgen kann.
In einer noch weiteren Ausführung ist die Synchronisiereinrichtung Bestandteil der Steuereinrichtung, wodurch eine Platzeinsparung möglich ist. Außerdem können Steuerelemente, zum Beispiel Prozessoren, der Steuereinrichtung die Aufgaben von Drehzahlermittlung, Vergleich usw. übernehmen.
Bei einem Hybridantrieb kann im Falle von ausgeschalteten Antriebsmotoren nur der Elektromotor den Antrieb des Drucklufterzeugers vornehmen, wobei die steuerbare Kupplung ausgekuppelt ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügte Figur näher erläutert, welche ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucklufterzeugungsanlage zeigt.
In der einzigen Figur stellen durchgezogenen Linien zwischen Funktionseinheiten eine Kraftübertragung, zum Beispiel durch Drehmomentenübertragung, und gestrichelte Linien Steuerverbindungen, wie zum Beispiel für Steuersignale und/oder Messsignale, dar.
Ein Fahrzeug, das hier nur schematisch angedeutet ist, weist in diesem Beispiel einen Hybridantrieb mit einem Antriebsmotor 2, zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors, und einem weiteren Antriebsmotor 2' in Gestalt eines elektrischen Fahrmotors auf. Diese Antriebsmotoren 2, 2' sind mit einem Antriebsstrang 13 gekoppelt, welcher aus einem Getriebe 14 und einer Antriebsachse 18 besteht, bei welcher ein Differentialgetriebe und zwei Räder angedeutet sind. Eine Motorsteuerung 19 ist mit den Antriebsmotoren 2, 2' und dem Getriebe 14 verbunden.
In diesem Beispiel ist das Getriebe 14 mit einem Abtrieb 15 zur Kopplung mit einer Drucklufterzeugungsanlage 20 über einen Kupplungsantrieb KA, zum Beispiel eine Welle, ausgerüstet.
Die Drucklufterzeugungsanlage 20 weist einen Drucklufterzeuger 1 bzw. Kompressor, der mit einem Elektromotor 3 und einer steuerbaren Kupplung 4 gekoppelt ist, und eine Steuereinrichtung 5 zur Steuerung der Drucklufterzeugungsanlage 20 auf. Der Drucklufterzeuger 1 saugt bei Betrieb Ansaugluft AL ein, komprimiert diese und fördert sie als Druckluft DL in einen Druckluftspeicher 7, aus welchem die Druckluft DL bei Bedarf zum Beispiel für eine Bremsanlage entnommen wird.
Die Steuereinrichtung 5 weist eine Synchronisiereinrichtung 6 mit einer ersten Ermittlungseinrichtung 8 für eine Drucklufterzeugerdrehzahl d1, einer zweiten Ermittlungseinrichtung 9 für eine Abtriebsdrehzahl d2 des Antriebsmotors 1, 1' (in diesem Fall des Abtriebs 15), ein Vergleichseinrichtung 10, eine Elektromotorsteuereinheit 11 und eine Schalteinheit 12 auf.
Die Steuereinrichtung 5 ist weiterhin mit Drucksensoren 16 zur Erfassung eines Drucks der Ansaugluft AL am Drucklufterzeuger 1 und eines Drucks der Druckluft DL (entweder am Drucklufterzeuger 1 oder am Druckluftspeicher 7) auf. Drehzahlsensoren 17 an einer Kopplungswelle zwischen dem Elektromotor 3 und dem Drucklufterzeuger 1 und an einer Kopplungswelle zwischen dem Drucklufterzeuger 1 und der steuerbaren Kupplung 4 sind ebenfalls mit der Steuereinrichtung 5 verbunden und übermitteln Messsignale der zugehörigen Drehzahlen. Der Elektromotor 3 kann mit einem integrierten Drehzahlsensor ausgerüstet sein, was durch einen verzweigten Steuerpfad angedeutet sein soll.
Eine weitere Verbindung der Steuereinheit 5 ist zu der steuerbaren Kupplung 4 und zu der Motorsteuerung 19 angeordnet.
Im Folgenden wird die Funktion der einzelnen Funktionseinheiten der Drucklufterzeugungsanlage 20 beschrieben.
Einer der Antriebsmotoren 1, 1' ist in Betrieb. Die steuerbare Kupplung 4 ist zunächst ausgekuppelt. Bei einem Druckluftbedarf im Druckluftspeicher 7 ermittelt die erste Ermittlungseinrichtung 8 die Abtriebsdrehzahl d2 des Antriebsmotors 2, 2' über die Verbindung mit der Motorsteuerung 19. Die zweite Ermittlungseinrichtung 9 ermittelt die Drehzahl d1 des Drucklufterzeugers 1. Die Vergleichseinrichtung 10 vergleicht die Drehzahlen d1 und d2. Bei einem Unterschied erzeugt sie ein Signal für die Elektromotorsteuereinheit 11, welche den Elektromotor 1 antreibt und auf eine Drehzahl d1 einstellt, welche der Abtriebsdrehzahl d2 entspricht, das heißt auf diese synchronisiert wird. Dann schaltet die Schalteinheit 12 die steuerbare Kupplung 4 ein, das heißt, diese wird eingekuppelt und koppelt den Antriebsmotor 1, 1' über den Abtrieb 15 und das Getriebe 14 mit dem Drucklufterzeuger 1. Nun treibt der Antriebsmotor 1, 1' den Drucklufterzeuger 1 an und der Elektromotor 3 wird von der Elektromotorsteuereinheit 11 in einen Leerlaufzustand geschaltet.
Ist der Antriebsmotor 1, 1' nicht in Betrieb und ein Druckbedarf tritt auf, so wird nur der Elektromotor 3 eingeschaltet und treibt den Drucklufterzeuger 1 an.
Die Synchronisation der Drehzahlen d1 und d2 ermöglicht es, dass die steuerbare Kupplung in einer robusten Ausgestaltung als schaltbare formschlüssige Kupplung ausgeführt werden kann. Dies kann zum Beispiel eine Klauenkupplung, Zahnkupplung oder Bolzenkupplung mit Elektroantrieb sein.
Die Erfindung ist nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
So ist es auch möglich, eine Reibkupplung oder eine Kombination aus Klauenkupplung und Reibkupplung, zum Beispiel eine Art Synchronring, zu benutzen.
Die Steuereinrichtung 5 kann außerdem eine Meldeeinrichtung aufweisen, welche zum Beispiel Informationen für den Fahrer aufbereitet. Dies können zum Beispiel eine Fehlermeldung, Wartungsmeldung usw. sein.

1: Drucklufterzeuger
2, 2': Antriebsmotor
3: Elektromotor
4: Kupplung
5: Steuereinrichtung
6: Synchronisiereinrichtung
7: Druckluftspeicher
8: Erste Ermittlungseinrichtung
9: Zweite Ermittlungseinrichtung
10: Vergleichseinrichtung
11: Elektromotorsteuereinheit
12: Schalteinheit
13: Antriebsstrang
14: Getriebe
15: Abtrieb
16: Drucksensor
17: Drehzahlsensor
18: Antriebsachse
19: Motorsteuerung
20: Drucklufterzeugungsanlage
AL: Ansaugluft
DL: Druckluft
d1: Drucklufterzeugerdrehzahl
d2: Abtriebsdrehzahl
KA: Kupplungsantrieb

Claims

Drucklufterzeugungsanlage (20) eines Fahrzeugs mit zumindest einem Antriebsmotor (2, 2'), mit: einem Drucklufterzeuger (1) zur Erzeugung von Druckluft (DL); einem mit dem Drucklufterzeuger (1) gekoppelten Elektromotor (3) zum Antrieb des Drucklufterzeugers (1); einer steuerbaren Kupplung (4) zur Kopplung des Drucklufterzeugers (2) mit dem zumindest einen Antriebsmotor (2); einer Steuereinrichtung (5) zur Steuerung der Drucklufterzeugungsanlage (20); und einer Synchronisiereinrichtung (6) zur Synchronisierung einer Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) des Drucklufterzeugers (1) und einer Abtriebsdrehzahl (d2) des zumindest einen Antriebsmotors (2, 2'), wobei die steuerbare Kupplung (4) bei synchronisierter Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) und Abtriebsdrehzahl (d2) schaltbar ist.
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung (6) Folgendes aufweist: eine erste Ermittlungseinrichtung (8) zur Ermittlung der Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) des Drucklufterzeugers (1); eine zweite Ermittlungseinrichtung (9) zur Ermittlung der Abtriebsdrehzahl (d2) des zumindest einen Antriebsmotors (2, 2'); eine Vergleichseinrichtung (10) zum Vergleich der Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) und der Abtriebsdrehzahl (d2); eine Elektromotorsteuereinheit (11) zur Steuerung des Elektromotors (1); und eine Schalteinheit (12) zur Schaltung der steuerbaren Kupplung (4) bei synchronisierter Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) und Abtriebsdrehzahl (d2).
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotorsteuereinheit (11) zur Einstellung der Drucklufterzeugerdrehzahl (d1), zur Einstellung eines Leerlaufmodus und eines Generatormodus des Elektromotors (1) ausgebildet ist.
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Kupplung (4) als formschlüssige schaltbare Kupplung ausgebildet ist.
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Kupplung (4) eine Klauenkupplung ist.
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Kupplung (4) mit einem Abtrieb (15) eines Antriebsstrangs (13) des Fahrzeugs gekoppelt ist.
Drucklufterzeugungsanlage (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung (6) Bestandteil der Steuereinrichtung (5) ist.
Verfahren zum Steuern einer Drucklufterzeugungsanlage (20) eines Fahrzeugs mit zumindest einem Antriebsmotor (2, 2'), mit den Verfahrensschritten: (V1) Antreiben eines Drucklufterzeugers (1) mit einem Elektromotor (3) zum Erzeugen von Druckluft (DL); (V2) Synchronisieren einer Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) des Drucklufterzeugers (1) mit einer Abtriebsdrehzahl (d2) des zumindest einen Antriebsmotors (2, 2'); (V3) Schalten einer steuerbaren Kupplung (4) bei synchronen Drehzahlen (d1, d2) zum Koppeln des Drucklufterzeugers (2) mit dem Antriebsmotor (2, 2') zum Erzeugen von Druckluft (D).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Synchronisieren folgende Teilschritte aufweist: (V2.1) Ermittlen einer Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) des Drucklufterzeugers (1); (V2.2) Ermittlen einer Abtriebsdrehzahl (d2) des Antriebsmotors (2, 2'); (V2.3) Vergleichen der ermittelten Drehzahlen (d1, d2) und Erzeugen eines Steuersignals (S) für eine Elektromotorsteuereinheit (11); und (V2.3) Ansteuern des Elektromotors (1) mittels der Elektromotorsteuereinheit (11) anhand des Steuersignals (S) auf die Abtriebsdrehzahl (d2) des Antriebsmotors (2, 2') zum Synchronisieren der Drucklufterzeugerdrehzahl (d1) mit der Abtriebsdrehzahl (d2).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Schalten folgende Teilschritte aufweist: (V3.1) Einkuppeln der steuerbaren Kupplung (4) durch Einschalten mittels einer Schalteinheit (12); und (V3.2) Steuern des Elektromotors (1) in einen Leerlaufzustand mittels der Elektromotorsteuereinheit (11).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Schalten folgende Teilschritte aufweist: (V3.1) Einkuppeln der steuerbaren Kupplung (4) durch Einschalten mittels einer Schalteinheit (12); und (V3.2) Steuern des Elektromotors (1) in einen Generatorzustand mittels der Elektromotorsteuereinheit (11) zum Erzeugen elektrischer Energie.